《ESP32-S3使用指南—MicroPython版 V1.0》第二章 MicroPython与微控制器

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第二章 MicroPython与微控制器

       本章节主要讲解Python与微控制器的发展历程，让读者了解MicroPython和微控制器芯片的缘起和发展。
       本章分为如下几个小节：
       2.1 MicroPython缘起
       2.2 微控制器软件
       2.3 MicroPython优点&应用场景
       2.4 本章小结

       2.1 MicroPython缘起
       “人生苦短，我学Python”这句话表达了一种对学习Python的热情和决心。确实，Python是一种简单易学的编程语言，它具有简洁清晰的语法和丰富的库，使得开发者可以快速地编写出高质量的代码。然而，在MicroPython出现之前，Python从未在微控制器系统软件开发过程中作为主要的开发语言。
       这一切在2013年发生了改变，Damien George在网上发起了一项名为“Kickstarter”的众筹活动。Damien是一名狂热的机器人程序员，他想把Python开发过程从使用GB基本容量的机器转移到KB基本资源微控制器平台上。最终，他将这个概念转化为一个完整的解决方案。
       在机缘巧合下，许多开发者抓住了这个机会赞助Damien的项目，这使得他们不仅可以在微控制器上使用Python，还可以获得Damien自己设计的参考硬件和早期版本。

       2.2 微控制器软件
       微控制器软件是指运行在微控制器上的程序代码，这些代码通常使用嵌入式C语言或MicroPython等语言编写。这些软件用于控制微控制器的输入、处理和输出，以实现特定的功能或任务。
       在应用程序中，通常包含三类基本元件：输入单元、处理单元和输出单元。

       1，输入单元：输入单元负责接收外部输入信号或数据，例如按键、传感器、网络通信等。这些输入可以作为程序执行的触发条件或提供程序所需的数据。

       2，处理单元：处理单元是应用程序的核心部分，负责处理输入信息并根据预设逻辑更新输出信息。处理单元通常包括一系列函数、循环等，用于实现数据处理、计算和控制功能。

       3，输出单元：输出单元负责将处理后的信息以适当的形式输出，例如发送信息、驱动电机等。输出单元可以是各种形式，如数字信号、模拟信号、网络通信等，取决于具体应用需求。

       微控制器软件的主要任务是根据输入单元接收到的信号或数据，在处理单元中进行处理和计算，然后通过输出单元控制外部设备或实现特定功能。微控制器软件的设计和编写需要考虑特定的硬件平台、开发工具和语言环境等因素，以确保程序的正确性、可靠性和性能。下图是微控制器整体框图。

图2.2.1 微控制器整体框图

       2.2.1 什么是微控制器
       微控制器是一种将微型计算机的主要部分集成在一个芯片上的单芯片微型计算机。它包含电子计算单元和逻辑单元（统称为CPU）、存储器（程序存储器和数据存储器）、I/O端口（输入/输出端口）以及很少的其他组件集成在单个芯片上。微控制器通常被嵌入在其控制的设备中，因此也称为嵌入式控制器。微控制器具有成本低、性能强大、应用广泛等特点，被广泛应用于电机控制、条码阅读器/扫描器、消费类电子、游戏设备、电话、HVAC、楼宇安全与门禁控制、工业控制与自动化和白色家电等领域。

       2.2.2 为什么使用MicroPython
       MicroPython早于微控制器的普及而诞生，它为开发者和用户带来了以下好处：
       首先，MicroPython降低了微控制器开发的门槛。相对于其他传统的开发语言，MicroPython的语法更加简单易懂，使得初学者可以快速上手并实现基本功能。同时，MicroPython在处理复杂任务时也表现出强大的能力，满足了工业应用的需求。
       其次，MicroPython提供了更快的开发反馈机制。通过交互式解释器（REPL），开发者可以实时输入命令并查看结果，快速调整代码并进行测试。这种开发方式减少了重复的编码、编译和上传过程，提高了开发效率。
       最后，MicroPython充分利用了Python的丰富资源。Python作为一种成熟的编程语言，拥有庞大的样例代码库和知识积累。这使得开发者可以更快、更容易地实现特定功能，例如处理字符串、解析JSON等。在MicroPython的世界中，这些工具同样适用，并比使用C++等语言更加便捷。
       综上所述，MicroPython为早于它诞生的微控制器普及带来了诸多好处，包括降低开发门槛、提高开发效率和利用丰富的资源库等。这些优势使得MicroPython成为微控制器开发的重要选择之一。

       2.3 MicroPython优点&应用场景
       MicroPython的优势主要包括以下几点：

       1，易学易用：MicroPython的语法与Python类似，易于学习和使用。对于已经熟悉Python语言的开发者来说，MicroPython可以让他们快速上手嵌入式系统和物联网技术的开发。

       2，开发效率高：MicroPython具有丰富的库和模块，可以方便地实现各种功能，缩短了开发周期。同时，MicroPython还支持多种开发工具和平台，方便开发者进行开发和调试。

       3，适合嵌入式系统的资源限制：MicroPython经过优化，适合在资源有限的嵌入式系统中运行。它占用内存小、运行效率高，能够满足嵌入式系统在实时性和功耗等方面的要求。

       4，社区支持：MicroPython有一个活跃的社区，提供了大量的学习资源和示例代码，方便开发者学习和交流。同时，MicroPython还在不断发展和完善，能够满足嵌入式系统和物联网技术开发的多种需求。
       MicroPython的应用场景非常广泛，主要包括以下几个方面：

       1，物联网设备开发：MicroPython可以用于各种物联网设备开发，如智能家居、农业、物流等。在这些领域，MicroPython可以通过串口或WiFi连接进行编程和传输，控制各种传感器、执行各种操作和处理各种数据。

       2，嵌入式系统开发：MicroPython是一种嵌入式Python编程语言，适用于各种嵌入式系统的开发，如微控制器、树莓派、智能手表等。它可以在这些设备上运行，并通过I/O端口与外部设备进行通信和控制。

       3，自动化控制：MicroPython可以用于各种自动化控制领域，如工业、家庭自动化等。在这些领域，MicroPython可以通过控制各种执行器、传感器等设备，实现自动化控制和智能管理。

       4，教育领域：MicroPython可以用于教育领域，让学生更容易地了解和学习嵌入式系统和物联网技术。通过MicroPython，学生可以快速实现各种实验和项目，提高他们的实践能力和创新思维。

       2.4 本章小结
       本章节主要介绍了MicroPython的缘起、微控制器软件的基本概念、MicroPython的优势和应用场景。首先，介绍了MicroPython如何改变了微控制器开发的语言格局，使得Python成为这类系统的重要编程语言。其次，介绍了微控制器软件的基本组成和特点，为理解MicroPython在其中的应用打下基础。再者，详述了MicroPython相对于其他语言的优点，如降低开发门槛、提供更快的开发反馈和利用丰富的Python资源。最后，列举了MicroPython在教育、物联网、微控制器应用、实时系统、嵌入式系统开发、可穿戴设备、移动设备和科学研究等多个领域的广泛应用。总之，MicroPython凭借其独特的优势和广泛的应用场景，已经成为嵌入式系统开发的重要选择之一。